專利名稱：更加緊湊并具有更高可靠性的電源系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于從高電壓DC電源將低電壓DC功率輸送給 計算機負載的緊湊的并更加可靠的電源系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在電信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、計算機設(shè)備、服務(wù)器等的典型設(shè)施 中，功率幾乎總是通過具有足夠容量的大容量可充電蓄電池系統(tǒng)供應(yīng) 以便使該系統(tǒng)渡過任何功率停止或中斷。電池系統(tǒng)完全被鉗位在單個 電池單元電壓之和上，并且任何主要的功率中斷都完全被橋接。因此， 來自外部源的任何電源線頻率波動都被完全吸收。電池系統(tǒng)可以給設(shè) 備供應(yīng)DC電壓，并可以使與其連接的任何設(shè)備與公用電源停電、波 動以及外部電源的其它問題完全隔離。通過從外部高壓AC源比如公 用電力干線或不間斷電源(UPS)連續(xù)提供的充電電流可以將電池漏 電保持較小。通過靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)，該系統(tǒng)可以在公用電源和UPS之間 選擇。然后將從靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)輸出的高電壓AC輸入到輸送所需的充 電電流的變壓器/整流器器件。然而，常規(guī)的靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)和變壓器/ 整流器器件通常不提供冗余能力。因此，這些器件中的一個部件失效 就要求切斷該器件以更換所損壞的部件。因為電池系統(tǒng)不再被充電， 因此它僅可維持系統(tǒng)有限的小時數(shù)，此后供電的電池將會失效。
常規(guī)的電池系統(tǒng)通常以接近最終應(yīng)用電壓的電壓分配DC功率。
5因為損耗與電流的平方乘以電阻(I2R)成比例，因此保持I2R損耗下 降要求常規(guī)的電池系統(tǒng)利用昂貴、笨重且不易重新裝配的母線電流分 配系統(tǒng)以在靠近使用點傳輸高電流、低電壓的DC功率。
過去，基于常規(guī)電池的系統(tǒng)已經(jīng)足夠。然而，近來對數(shù)據(jù)通信和 計算機服務(wù)的需求的急劇增加使得這種基于電池系統(tǒng)的缺陷非常明 顯。在先的基于電池的系統(tǒng)昂貴、笨重、不靈活且占用太的空間。此 外，在電池制造過程中產(chǎn)生了與有毒廢物相關(guān)的環(huán)境危害，處理越來 越難以忍受。
目前，高壓DC功率分配已經(jīng)是不切實際的，因為缺乏經(jīng)濟的且 可量測的DC-DC電壓降頻轉(zhuǎn)換器。非常大的超HVDC轉(zhuǎn)換器已經(jīng)使 用了許多年，但它們都要求巨大的設(shè)備，并且它們完全不適合于縮小 以用于在電信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中所需的普通分配電壓下分配DC 功率的目的。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的一個目的是提供一種用于計算負載的更加緊湊并 具有更高可靠性的電源系統(tǒng)。
本發(fā)明的進一步目的是提供一種提供低壓DC但不需要大且昂 貴的中央電池系統(tǒng)的電源系統(tǒng)。
本發(fā)明的進一步目的是提供一種不需要龐大、笨重、不靈活且昂 貴的母線電流分配系統(tǒng)的電源系統(tǒng)。
本發(fā)明的進一步目的是提供一種在靠近預(yù)期使用點可以傳送低 壓DC的電源系統(tǒng)。
本發(fā)明的進一步目的是提供一種具有冗余能力以提高可靠性的 電源系統(tǒng)。
本發(fā)明的進一步目的是提供一種這樣的電源系統(tǒng)，其中在該系統(tǒng) 運行的同時該系統(tǒng)的主要部件可以被取下、更換或添加到該系統(tǒng)中。
本發(fā)明的進一步目的是提供一種主要部件是可熱抽換的(hot swappable )電源系統(tǒng)。本發(fā)明的進一步目的是提供一種提高了分配電壓與最終應(yīng)用電
壓的比率的電源系統(tǒng)。
本發(fā)明的進一步目的是提供一種更加低廉的電源系統(tǒng)。 本發(fā)明的進一步目的是提供一種利用更小的空間的電源系統(tǒng)。 本發(fā)明的進一步目的是提供一種在物理上或電氣上容易重新裝
配的電源系統(tǒng)。
本發(fā)明的進一步目的是提供一種消除了與利用基于電池的系統(tǒng) 相關(guān)的有毒環(huán)境問題的電源系統(tǒng)。
本發(fā)明實現(xiàn)一種用于給計算負栽提供低壓DC電壓的更加緊湊 并具有更高可靠性的電源系統(tǒng)，這種電源系統(tǒng)通過連接到多個DC源 的高壓DC總線、連接到計算負載的低壓DC總線和電源的獨特組合 實現(xiàn)，每個DC源通過開關(guān)連接到該高壓DC總線，該開關(guān)將具有最 高電壓的DC源輸送給該高壓DC總線，該電源包括在高壓DC總線 和低壓DC總線之間并聯(lián)連接的多個DC/DC轉(zhuǎn)換器和調(diào)制每個 DC/DC轉(zhuǎn)換器以將在高壓DC總線上的高壓轉(zhuǎn)換為在低壓DC總線上 輸出的低壓的控制器。
然而，在其它實施例中，主題發(fā)明不需要實現(xiàn)所有這些目的，其 權(quán)利要求不應(yīng)當被限制到能夠?qū)崿F(xiàn)這些目的的結(jié)構(gòu)或方法中。
本發(fā)明的特征在于用于計算負栽的更加緊湊并具有更高可靠性 的電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括連接到多個DC源的高壓DC總線、連接到 計算負載的低壓DC總線和電源，每個DC源通過開關(guān)連接到該高壓 DC總線，該開關(guān)將具有最高DC電壓的DC源輸送給該高壓DC總 線，該電源包括在高壓DC總線和低壓DC總線之間并聯(lián)連接的多個 DC/DC轉(zhuǎn)換器和被構(gòu)造成調(diào)制每個DC/DC轉(zhuǎn)換器以將在高壓DC總 線上的高壓轉(zhuǎn)換為在低壓DC總線上輸出的低壓的控制器。
在一個實施例中，開關(guān)可以是二極管。電源可以包括多個電源模 塊，每個電源模塊包括控制器和多個DC/DC轉(zhuǎn)換器。每個DC/DC轉(zhuǎn) 換器可以被構(gòu)造為帶有通過控制器觸發(fā)以調(diào)制DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān) 的補償轉(zhuǎn)換器(buck converter)。每個DC/DC轉(zhuǎn)換器可以包括反相器、變壓器和整流器，其中反相器通過控制器循環(huán)以調(diào)制DC/DC轉(zhuǎn) 換器?？刂破骺梢员粯?gòu)造成使用調(diào)制來調(diào)制每個DC/DC轉(zhuǎn)換器?？?制器可以被構(gòu)造成使每個DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)定時交錯以降低在低 壓DC總線上的波動?？刂破骺梢皂憫?yīng)故障信號輸入并被編程為響應(yīng) 該故障信號打開每個DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)?？刂破骺梢员粯?gòu)造成使 每個DC/DC轉(zhuǎn)換器的反相器的定時交錯以降低在低壓DC總線上的 波動?？刂破骺梢皂憫?yīng)故障信號輸入并被編程為響應(yīng)該故障信號打開 每個DC/DC轉(zhuǎn)換器的反相器。每個電源模塊可以包括在多個DC/DC 轉(zhuǎn)換器和低壓DC總線之間并被設(shè)計成在大于電源模塊的額定電流輸 出的電流電平下熔斷的保險絲?？刂破骺梢员粯?gòu)造成基于通過電源模 塊輸出的電流確定所需的輸出電壓?？刂破骺梢园ū粯?gòu)造成將所需 的系統(tǒng)輸出電壓與通過電源模塊輸出的電壓電平進行比較并調(diào)節(jié)每 個DC/DC轉(zhuǎn)換器的電壓輸出以使電源模塊的輸出大致等于所需的系 統(tǒng)輸出電壓的開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器。開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器可以利用調(diào)制調(diào)節(jié)每 個DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出的電壓。多個電源模塊中的每個的控制器可以 利用偽阻抗以提供多個電源模塊的獨立負載共享。在低壓D C總線上 輸出的低電壓可以大約在6V DC至100V DC的范圍中。在低壓DC 總線上輸出的低電壓可以大約是48V DC?？刂破骺梢赃M一步被構(gòu)造 成響應(yīng)故障信號而輸出錯誤信號?？刂破骺梢赃M一步包括產(chǎn)生故障信 號的故障確定電路。多個電源模塊中的每個電源模塊可以包括冷卻系 統(tǒng)。在電源模塊超過預(yù)定的溫度時故障檢測電路可以產(chǎn)生故障信號。 補償轉(zhuǎn)換器可以包括輸入電容器、輸出電容器、電感器和開關(guān)。在高 壓DC總線上的高壓與在低壓DC總線上的低壓的比率可以是在1.1:1 至大約1000:1的范圍內(nèi)。在高壓DC總線上的高壓與在低壓DC總線 上的低壓的比率可以是大約10:1。在高壓DC總線上的高壓與在低壓 DC總線上的低壓的比率可以是大約2:1。電源可以容納在箱室中。多 個電源模塊中的每個電源模塊可以被構(gòu)造為可取下的抽屜。可取下的 抽屜可以被置于該箱室中。每個可取下的抽屜可以包括多個不同長度 的連接器，該連接器在不同的時間將電源模塊的多個DC/DC轉(zhuǎn)換器電連接到高壓DC總線以減少放電。每個連接器可以包括在將電源模 塊連接到高壓DC總線時減少放電的電阻性材料。每個可取下的抽屜 可以包括通過各自的輔助電阻器或者火花抑制阻抗網(wǎng)絡(luò)連接的輔助 觸點以進一步減少放電。在系統(tǒng)運行時可取下的抽屜可以被取下、更 換或添加。每個抽屜可以包括多個冷卻風扇和排氣口以冷卻電源模 塊。多個電源模塊中的每個電源模塊的部件可以被設(shè)置成使冷卻效率 最大。計算負載可以從如下組中選擇電信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、計 算機系統(tǒng)和計算機外圍設(shè)備。電源可以包括多余數(shù)量的電源模塊。


通過下文對優(yōu)選實施例的描述以及附圖，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將 會理解本發(fā)明的其它目的、特征和優(yōu)點，在附圖中
附圖l所示為將低壓DC傳送給計算負載的典型常規(guī)電池系統(tǒng)的 示意性方塊附圖2所示為本發(fā)明的更緊湊且具有更高可靠性的電源系統(tǒng)的 一個實施例的示意性方塊附圖3所示為在附圖2中所示的電源的一個實施例的部件的示意 性方塊附圖4所示為詳細地顯示在附圖3中所示的電源模塊的主要部件 的示意性方塊附圖5所示為可在附圖4中所示的每個DC/DC轉(zhuǎn)換器中應(yīng)用的 補償轉(zhuǎn)換器的電路附圖6所示為可在附圖4中所示的每個DC/DC轉(zhuǎn)換器中應(yīng)用的 反相器、變壓器和整流器的電路附圖7所示為在附圖4中所示的控制器的一個實施例的電路附圖8所示為在附圖7中所示的控制電路的輸出V-I特性的曲線
附圖9所示為在箱室中構(gòu)造的在附圖3中所示的電源和作為在箱 室中的可取下的抽屜構(gòu)造的在附圖4中所示的電源模塊的一個實例的三維示意附圖10所示為與在附圖9中所示的可取下的抽屜的主要部件關(guān) 聯(lián)的進一步細節(jié)的三維示意附圖11所示為可用于將在附圖9中所示的可取下的抽屜連接到 高壓DC總線的連接器的一個實例的三維示意圖。
具體實施例方式
除了下文公開的優(yōu)選實施例或?qū)嵤├?，本發(fā)明能夠以其它實 施例實施或者以不同的方式實施。因此，應(yīng)當理解的是本發(fā)明的應(yīng)用 不限于在下文的描述中闡述的或附圖中示出的部件的結(jié)構(gòu)和設(shè)置的 細節(jié)。如果在此只描述了一個實施例，則其權(quán)利要求并不限于該實施 例。此外，其權(quán)利要求不應(yīng)當被限制性地理解，除非存在清楚且有說 服力的證據(jù)顯示了特定的排除、限制或放棄。
如上文在背景技術(shù)部分所討論，常規(guī)的電源系統(tǒng)10(附圖l)利 用大電池系統(tǒng)12來給計算負載14 (比如數(shù)據(jù)通信設(shè)備、計算機系統(tǒng) 等)提供低壓DC (例如48VDC)。系統(tǒng)IO典型地包括靜態(tài)轉(zhuǎn)換開 關(guān)16，該開關(guān)16響應(yīng)通過常規(guī)公用電力線輸送的在線18上的高壓AC 源或即使在電源故障的情況下通過在線20上的UPS或類似器件輸送 的高壓AC源。靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)16通過線17從公用電力線或UPS將高 壓AC源輸送給變壓器/整流器器件22。變壓器/整流器器件22提供所 需的充電電流以對在電池系統(tǒng)12中的電池連續(xù)地充電。然而，如上 文所討論，電池系統(tǒng)12及其相關(guān)的大電流、低電壓DC總線13通常 尺寸較大。此外，系統(tǒng)10對于靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)16或變壓器/整流器器件 22的任何部件不能提供冗余量。
相反，根據(jù)本發(fā)明的更緊湊且具有更高可靠性的電源系統(tǒng)30(附 圖2)包括高壓DC總線32,該高壓DC總線32連接到多個高壓DC 源，比如DC源34 (例如公用源1) 、 DC源36 (例如公用源2 ) 、 DC 源38 (例如發(fā)電機)和DC源40 (例如輔助源)。高壓DC源34-40 通常在大約550V DC。 DC源34-40中每個通過開關(guān)(例如二極管)
10連接到高壓DC總線32，該開關(guān)被構(gòu)造成從具有最高的DC電壓的DC 源給高壓DC總線32輸送功率。在本實例中，開關(guān)42、 44、 46和48 將DC源34、 36、 38和40分別連接到高壓DC總線32。在運行中， 在DC源34-40中的任何源上的電壓高于在高壓DC總線32上的電壓 時，與具有最高電壓的DC源關(guān)聯(lián)的開關(guān)(二極管)被正向偏壓，高 壓DC電壓將從該源輸送。其余DC源的開關(guān)通過在來自這些源的電 壓和最高電壓源的電壓之間有意或無意地產(chǎn)生的較小的負差壓反向 偏壓，因此這些源不輸送功率。然而，如果有效的源故障或者其電壓 下降到其它電源中的任何電源之下，則功率將立即自動地從新的最高 電壓源中輸送。高壓DC總線32通常遍及系統(tǒng)30的全部典型設(shè)施， 并將電源64連接到預(yù)期使用點附近(下文討論)。
系統(tǒng)30也包括連接到計算負栽62 (例如電信設(shè)備、數(shù)據(jù)通信設(shè) 備、計算機設(shè)備、服務(wù)器等)或利用低壓DC的任何電子器件或系統(tǒng) 的低壓DC總線60。通常，在低壓DC總線60上的電壓大約在6VDC 至100VDC的范圍中，例如大約48VDC。
電源64包括在高壓DC總線32和低壓DC總線60之間并聯(lián)連 接的多個DC/DC轉(zhuǎn)換器(下文討論)和被構(gòu)造成調(diào)制每個DC/DC轉(zhuǎn) 換器以將在高壓DC總線32上的高壓轉(zhuǎn)換為在低壓DC總線60上輸 出的低壓的控制器(也在下文討論)。
在優(yōu)選實施例中，電源64(附圖3)包括多個電源模塊，例如電 源模塊66、 68、 70、 72、 74和76，每個電源模塊包括多個DC/DC轉(zhuǎn) 換器和一個控制器。例如，每個電源模塊66-76包括在高壓DC總線 32和低壓DC總線60之間并聯(lián)連接的DC/DC轉(zhuǎn)換器150、 152、 154、 156、 158和160 (附圖4)。連接器81將在線101上的高壓DC分別 通過線103、 105、 107、 109、 111和113從高壓總線32連接到每個 DC/DC轉(zhuǎn)換器150-160。控制器80通過線220、 222、 224、 226、 228 和230調(diào)制每個DC/DC轉(zhuǎn)換器150-160以將在線103-113上的高壓 DC轉(zhuǎn)換為在線96、 98、 100、 102、 104和106上的低壓DC。連接器 117將在線96-106上的DC/DC轉(zhuǎn)換器150-160的輸出連接到線90。結(jié)果是低壓DC被輸送給低壓DC總線60 (附圖2)，而不需要 龐大且笨重的電池系統(tǒng)。每個電源模塊66-76 (附圖3)的尺寸相對較 小，例如對于典型的30 kW電源模塊，19〃x5〃x24〃，這就使電源64 緊湊。因為電源64緊湊并且利用了來自可以遍及系統(tǒng)30的整個設(shè)施 的高壓DC總線32的高壓，因此電源64可以定位在靠近預(yù)期使用點。 因此，不需要大且昂貴的低壓、大電流總線分配系統(tǒng)。這就可以允許 在高壓DC總線32上的DC電壓和在低壓DC總線60上的最終應(yīng)用 電壓的比率更高，即大約1.1:1至1000:1的范圍，例如10:1或2:1。 對于相同的功率，更高的總線電壓通過歐姆定律轉(zhuǎn)化為成比例的低電 流。使用更高的電壓輸入功率總線分配系統(tǒng)(高壓DC總線32)因此 降低了在高壓總線32中的fR損耗，這進一步減少了能量使用和成 本。系統(tǒng)30也可以利用上文討論的多個獨立的高壓DC源并自動地 使用具有最高DC電壓的DC源，這提高了可靠性。系統(tǒng)30也具有冗 余能力(下文討論)，它提高了不中斷的能力和可靠性。系統(tǒng)30也 可以根據(jù)需要重新定位，并且可以根據(jù)需要與任何數(shù)量的電源系統(tǒng)30 并聯(lián)連接以滿足任何變化的負載的物理配置或電氣要求。
在一種設(shè)計中，保險絲119 (附圖4)通過線121連接在線90 上的電源模塊的輸出電壓和低壓DC總線之間。保險絲119被設(shè)計成 在通過電源模塊輸出的電流電平大于電源模塊的額定電流輸出(例如 600安培)時熔斷。
每個DC/DC轉(zhuǎn)換器150-160(附圖4 )通常被構(gòu)造為補償轉(zhuǎn)換器， 如圖5所示的補償轉(zhuǎn)換器84。補償轉(zhuǎn)換器84包括輸入電容器210、 二極管212、電感器214、輸出電容器216和開關(guān)86，例如絕緣柵雙 極晶體管(IGBT)。開關(guān)86通過控制器80 (附圖4)被觸發(fā)以調(diào)制 每個DC/DC轉(zhuǎn)換器150-160的補償轉(zhuǎn)換器的電壓輸出并將在線 103-113上的高壓DC轉(zhuǎn)換為在線98-106上的低壓DC。例如，控制 器80可以利用固定的時鐘調(diào)制(例如脈沖寬度調(diào)制)以在線220-230 上產(chǎn)生脈沖寬度信號，即DC/DC轉(zhuǎn)換器150-160的每個補償轉(zhuǎn)換器 的每個開關(guān)保持打開和關(guān)閉多長的時間，以便調(diào)節(jié)補償轉(zhuǎn)換器的開關(guān)的"接通"時間和"切斷"時間的比率以控制輸出電壓，并將在線
103-113上的高壓DC有效地轉(zhuǎn)換為在線96-106上的低壓DC并控制 在線90上的電源模塊的輸出電壓。控制器80可以利用固定的時鐘調(diào) 制(例如脈沖寬度調(diào)制)、自振蕩調(diào)制(例如脈沖頻率調(diào)制或滯后調(diào) 制)或本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的任何類型的調(diào)制以控制在DC/DC 150-160中的開關(guān)轉(zhuǎn)換高壓DC為低壓DC的定時。
在一種設(shè)計中，每個DC/DC轉(zhuǎn)換器150-160被如附圖6所示地 構(gòu)造。在本實例中，每個DC/DC轉(zhuǎn)換器150-160 (附圖4)包括反相 器250 (附圖6)、變壓器252和整流器254。類似于上文討論的補償 轉(zhuǎn)換器中的開關(guān)，反相器250通過控制器80(附圖4)被觸發(fā)以調(diào)制每 個DC/DC轉(zhuǎn)換器150-160并將在線103-113上的高壓DC (附圖4) 轉(zhuǎn)換為在線98-106上的低壓DC。
在優(yōu)選實施例中，控制器80啟動在線220-230上的信號，這些 信號均等地時間交錯，例如對于六個并行的DC-DC源150-160在相 位上錯開60?；蛘邔τ贜個并行的單元錯開360。/N,以使上文描述的 每個DC/DC轉(zhuǎn)換器150-160中的開關(guān)或反相器的定時錯開以減小在 線90上的{氐壓DC的波動。
控制器80也可以基于通過反饋線93由電源模塊輸出的電流確定 由線90上的電源模塊要輸出的所需輸出電壓。控制器80包括比較通 過反饋線95在低壓DC總線60上的所需系統(tǒng)輸出電壓和由線90上 的電源模塊輸出的實際電壓的開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器92。通過使用固定的時 鐘調(diào)制(例如脈沖寬度調(diào)制)、自振蕩調(diào)制(例如脈沖頻率調(diào)制或滯 后調(diào)制)或本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的任何調(diào)制技術(shù)并通過改變 DC/DC轉(zhuǎn)換器150-160的調(diào)制，開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器92然后將電源模塊 的電壓輸出調(diào)節(jié)到所需的系統(tǒng)電壓輸出。
在一個實施例中，控制器80也響應(yīng)反饋線93上的故障信號，并 且在線93上的故障信號指示電源模塊正產(chǎn)生過壓或者過流時被編程 為打開每個DC/DC轉(zhuǎn)換器150-160的開關(guān)(例如開關(guān)86，附圖5)或 者反相器(例如反相器250，附圖6)(下文詳細討論)。這將從電源64的電源模塊66-76 (附圖3)的并行結(jié)構(gòu)中消除故障電源模塊，因 此防止了受損壞的電源模塊影響電源64的操作。響應(yīng)來自在電源模 塊內(nèi)的各種子系統(tǒng)的線112上的故障信號，控制器80也產(chǎn)生啟動外 部控制器(比如PLC)的線108上的錯誤信號。例如，故障確定電路 IIO可以響應(yīng)冷卻系統(tǒng)113，該冷卻系統(tǒng)113檢測在電源模塊中的過熱 狀態(tài)，并因此啟動故障確定電路IIO以在線112上產(chǎn)生故障信號，該 故障信號使控制器80在線108上產(chǎn)生錯誤信號以啟動外部控制器。 附加的輔助系統(tǒng)114也在線116上產(chǎn)生錯誤信號，該錯誤信號使故障 確定電路110在線112上產(chǎn)生故障信號并使控制器80產(chǎn)生錯誤信號 以啟動外部控制器。
在附圖7中同樣的部件給予同樣的標號，附圖7所示為利用脈沖 寬度調(diào)制調(diào)節(jié)每個電源模塊66-76(附圖3)的低壓DC輸出的本發(fā)明 的控制器80的一個實施例。在本實例中，比較器119(附圖7)比較 以120指示的參考系統(tǒng)輸出電壓Vset (例如上文討論的低壓DC總線 上的電壓)和以122指示的電源模塊的所測量的輸出電壓V咖as并在 線124上產(chǎn)生錯誤信號?？刂破?0也包括比較器139，該比較器139 測量以126指示的電源模塊的輸出電流Im柳。在線140上的所測量的
電流Imeas使用通過較大的電阻143 (例如大約150kl2 )的 一條路徑，
并與線124上的錯誤信號組合以在線130上提供經(jīng)修整并調(diào)節(jié)的錯誤 信號，該錯誤信號在電源模塊的電壓輸出中僅產(chǎn)生輕微的變化。這種 調(diào)節(jié)使電源模塊的輸出電壓移動較窄的范圍值并用于改變電源模塊 的輸出電壓以產(chǎn)生較小的正內(nèi)阻抗的效果。線130上的經(jīng)修整并調(diào)節(jié) 的信號建立了綜合V-I特性，如附圖8中的曲線169所示。經(jīng)修整并 調(diào)節(jié)的信號給電源模塊提供了對應(yīng)于較小但是正值的內(nèi)電阻的視在 的、類似電池的源電阻或"偽阻抗，，(以箭頭190表示)，這個阻抗使 電源模塊(例如附圖3中的電源模塊66)與其它的電源模塊(例如電 源64的電源模塊68-76)均等地共享負載。
以126指示的所測量的電流I^M (附圖7)也使用線180上的另 一路徑，該路徑包括齊納二極管182和小電阻器184(例如大約)。在操作的過程中，齊納二極管182保持截止。然而，如果高于可允許 的電流開始通過該電源模塊輸出，電流Imeas增加并啟動齊納二極管 182。這時，小電阻184將該信號電壓強烈地拉下。這造成了線130 上的經(jīng)修整且調(diào)節(jié)的錯誤信號發(fā)生較大且快速的變化，并在指定的局 部輸出電壓設(shè)定點上發(fā)生根本性的減小。這種結(jié)果是附圖8中的V-I 曲線169的驟然的且陡峭的下降，如箭頭194所示。這個特征確保了 如果單個電源模塊的電流開始變得太高，則電源模塊的輸出電壓將快 速地下降并切斷該電源模塊。
開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器92 (附圖7 )響應(yīng)線130上的經(jīng)修整且調(diào)節(jié)的錯 誤信號，并使用調(diào)制(例如固定時鐘調(diào)制比如脈沖寬度調(diào)制(雖然可以 利用上文討論的任何類型的調(diào)制))調(diào)節(jié)通過每個DC/DC轉(zhuǎn)換器 150-160 (附圖4)產(chǎn)生的輸出電壓。開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器92通常包括壓 控延遲發(fā)生器134、處理器145、開關(guān)162(例如FET)、電容器164、 上拉電阻器166和電壓源168。在運行中，壓控延遲發(fā)生器134通過 在電容器164上的電壓保持在禁止狀態(tài)。電容器164的放電使壓控延 遲發(fā)生器134能夠處理線130上的經(jīng)修整且調(diào)節(jié)的錯誤信號以通過線 143啟動處理器145。電容器164的;^丈電通過啟動FET 162以4吏電容 器164通過地端169放電的線163上的復(fù)位信號實現(xiàn)。正如本領(lǐng)域普 通技術(shù)人員所公知，電容器的充電通過電壓源168實現(xiàn)。線143上的 經(jīng)修整且調(diào)節(jié)的錯誤信號使處理器145能夠在線220-230上產(chǎn)生脈沖 寬度信號(由箭頭170表示)以控制如上文討論的DC/DC轉(zhuǎn)換器 150-160 (附圖4)開關(guān)的定時?；诰€130上的錯誤信號的大小，處 理器145確定線220-230上的信號控制每個DC/DC轉(zhuǎn)換器150-160(附 圖4)的開關(guān)的定時所需要的脈沖寬度以將電源模塊的輸出電壓調(diào)節(jié) 到所需的系統(tǒng)輸出電壓。處理器145(附圖7 )也確定線220-230上的 脈沖信號的序列以使DC/DC轉(zhuǎn)換器150-160的開關(guān)或反相器的觸發(fā) 交錯以減小波動。例如，處理器145可以啟動箭頭170所示的脈沖序 列，該脈沖序列使六個DC/DC轉(zhuǎn)換器150-160 (附圖4)的開關(guān)或反 相器的觸發(fā)交錯以減小波動。通常，如上文所述，對于六個DC源150-160，線220-230上的交錯脈沖信號是相位上相差60。的時間交錯序 列。
上文關(guān)于控制器80 (附圖4、 7和8)所述的"偽"阻抗提供了電 源模塊66-76 (附圖3)的所需的負載共享。在這個實施例中，與其它 的電源模塊相比，如果電源64的電源模塊66-76的單個電源模塊被輕 微地加載，則該電源沖莫塊將以稍微更高的輸出電壓操作(由于它的正 "偽阻抗"的緣故)。相反，在更大的電流從其流出時，用于電源模塊 66-76的單個電源模塊的輸出電壓將稍微降低。輕微地加載的電源模 塊的更高的電壓將導致從它們中拉出更大的電流，這具有減小它們的 輸出電壓的效果。更大地加載的電源模塊將拉出更小的電流，增加它 們的輸出電壓。這樣，所有的模塊將在電壓范圍的中間達到均衡，其 中功率從每個模塊中均等地拉出，而不要求在模塊之間傳遞任何明確 的控制信號。連續(xù)的共同負載調(diào)節(jié)和負栽共享的這個過程確保了整個 系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并防止任何一個電源(或電源的集合)"擾亂"負栽。
在優(yōu)選實施例中，電源64 (附圖2和3)理想地封閉在箱室中， 比如附圖9的箱室300。電源模塊66-76 (附圖3)通常每個都封閉在 可取下的抽屜中，比如附圖9的抽屜302?？扇∠碌某閷?02容納上 文參考附圖4所討論的單個電源模塊66-76的各個部件。例如，抽屜 302 (附圖10)包括六個DC/DC轉(zhuǎn)換器，其中示出了三個，另外三個 層疊在其下(未示)。所示的DC/DC轉(zhuǎn)換器的補償轉(zhuǎn)換器的電感器 以310、 312和314指示。三個補償轉(zhuǎn)換器中每個轉(zhuǎn)換器的IGBT開 關(guān)以316、 318和320表示。輸入電容器以322、 324和326表示?？?制器(以虛像示出)以326表示。抽屜302通常包括給抽屜302提供 冷卻空氣的冷卻風扇330,該冷卻空氣通過位于背板332上的排氣口 (未示)排出。電感器310-314、開關(guān)316-320和輸入電容器322-326 的取向被設(shè)置成使抽屜302的冷卻效率最大。
抽屜302通常包括多個不同長度的連接器，例如連接器340、342、 344和346 (附圖11)，這些連接器允許DC/DC轉(zhuǎn)換器連接到高壓DC 總線而不產(chǎn)生放電。在一個實例中，每個連接器340-348可以包括一
16部分電阻性材料(比如在連接器346中的電阻性材料352)以在將抽 屜302連接到高壓DC總線時防止高壓DC放電。在一些設(shè)計中，在 將抽屜302連接到高壓DC總線時，通過各自的輔助電阻或火花抑制 阻抗網(wǎng)絡(luò)連接的輔助觸點可以被用于進一步防止高壓DC放電。因此， 連接器340-348的結(jié)構(gòu)允許在系統(tǒng)30運行時容納電源模塊的各種可取 下的抽屜中的每個抽屜被添加、取下或更換，即可取下的抽屜是"可 熱抽換的"。
雖然在一些附圖中而沒有在其它中已經(jīng)示出了本發(fā)明的具體特 征，但這僅僅是為了說明的方便，因為每個特征可以與根據(jù)本發(fā)明的 任何或全部其它特征組合。在此所使用的術(shù)語"包括"、"包含"、"具 有"和"帶有，，應(yīng)當被寬泛地、全面地解釋，它們不限于任何物理上的 互連。此外，在本申請中公開的任何實施例都不應(yīng)當看作唯一可能的 實施例。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在下面的權(quán)利要求的范圍內(nèi)可以做出其 它的實施例。
此外，在本專利的專利申請的審批過程中提交的任何修改都不是 對在申請時申請中存在的任何權(quán)利要求要素的放棄合理的是，不能 期望本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠起草這樣的一個
權(quán)利要求
其在字面上 包含所有可能的等同物，許多等同物在修改時都是不可預(yù)見的，它們 超出了那些應(yīng)當被放棄的合理解釋(如果有什么的話)，修改的基本 原理只不過是與許多等同物相切的關(guān)系，和/或存在不能希望申請人描 述用于被修改的任何權(quán)利要求要素的某些非實質(zhì)性的替代的許多其 它的原因。
權(quán)利要求
1. 一種用于計算負載的更加緊湊并具有更高可靠性的電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括連接到多個DC源的高壓DC總線，每個DC源通過開關(guān)連接到該高壓DC總線，該開關(guān)被構(gòu)造成將具有最高DC電壓的DC源輸送給該高壓DC總線；連接到計算負載的低壓DC總線；和電源，包括在高壓DC總線和低壓DC總線之間并聯(lián)連接的多個DC/DC轉(zhuǎn)換器，和被構(gòu)造成調(diào)制每個DC/DC轉(zhuǎn)換器以將在高壓DC總線上的高壓轉(zhuǎn)換為在低壓DC總線上輸出的低壓的控制器。
2. 權(quán)利要求l的電源系統(tǒng)，其中所述開關(guān)包括二極管。
3. 權(quán)利要求l的電源系統(tǒng)，其中所述電源包括多個電源模塊， 每個電源模塊包括控制器和多個DC/DC轉(zhuǎn)換器。
4. 權(quán)利要求3的電源系統(tǒng)，其中每個DC/DC轉(zhuǎn)換器被構(gòu)造為 帶有通過控制器觸發(fā)以調(diào)制DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)的補償轉(zhuǎn)換器。
5. 權(quán)利要求3的電源系統(tǒng)，其中每個DC/DC轉(zhuǎn)換器包括反相 器、變壓器和整流器，其中反相器通過控制器循環(huán)以調(diào)制DC/DC轉(zhuǎn) 換器。
6. 權(quán)利要求l的電源系統(tǒng)，其中所述控制器被構(gòu)造成調(diào)制每個 DC/DC轉(zhuǎn)換器以控制輸出電壓或電流。
7. 權(quán)利要求4的電源系統(tǒng)，其中所述控制器被構(gòu)造成使每個 DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)定時交錯以降低在低壓DC總線上的波動。
8. 權(quán)利要求4的電源系統(tǒng)，其中控制器響應(yīng)故障信號輸入并被 編程為響應(yīng)該故障信號打開每個DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)。
9. 權(quán)利要求5的電源系統(tǒng)，其中控制器被構(gòu)造成使每個DC/DC 轉(zhuǎn)換器的反相器的定時交錯以減小在低壓DC總線上的波動。
10. 權(quán)利要求5的電源系統(tǒng)，其中控制器響應(yīng)故障信號輸入并被 編程為響應(yīng)該故障信號打開每個DC/DC轉(zhuǎn)換器的反相器。
11. 權(quán)利要求3的電源系統(tǒng)，其中每個電源模塊包括在多個 DC/DC轉(zhuǎn)換器和低壓DC總線之間并被設(shè)計成在大于電源模塊的額 定電流輸出的電流電平下熔斷的保險絲。
12. 權(quán)利要求3的電源系統(tǒng)，其中控制器被構(gòu)造成基于通過電源 模塊輸出的電流確定所需的輸出電壓。
13. 權(quán)利要求3的電源系統(tǒng)，其中控制器包括被構(gòu)造成將所需的 系統(tǒng)輸出電壓與通過電源模塊輸出的電壓電平進行比較并調(diào)節(jié)每個 DC/DC轉(zhuǎn)換器的電壓輸出以使電源模塊的輸出大致等于所需的系統(tǒng) 輸出電壓的開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器。
14. 權(quán)利要求13的電源系統(tǒng)，其中開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器利用調(diào)制調(diào) 節(jié)每個DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出的電壓。
15. 權(quán)利要求3的電源系統(tǒng)，其中多個電源模塊中的每個電源模 塊的控制器利用偽阻抗以提供多個電源模塊的獨立負載共享。
16. 權(quán)利要求l的電源系統(tǒng)，其中在低壓DC總線上輸出的低電 壓大約在6V DC至100V DC的范圍中。
17. 權(quán)利要求16的電源系統(tǒng)，其中在低壓DC總線上輸出的低 電壓大約是48V DC。
18. 權(quán)利要求l的電源系統(tǒng)，其中所述控制器進一步被構(gòu)造成響 應(yīng)故障信號而輸出錯誤信號。
19. 權(quán)利要求18的電源系統(tǒng)，其中所述控制器進一步包括產(chǎn)生 故障信號的故障確定電路。
20. 權(quán)利要求19的電源系統(tǒng)，其中多個電源模塊中的每個電源 模塊包括冷卻系統(tǒng)。
21. 權(quán)利要求20的電源系統(tǒng)，其中在電源模塊超過預(yù)定的溫度 時故障檢測電路產(chǎn)生故障信號。
22. 權(quán)利要求4的電源系統(tǒng)，其中補償轉(zhuǎn)換器包括輸入電容器、 輸出電容器、電感器和開關(guān)。
23. 權(quán)利要求l的電源系統(tǒng)，其中在高壓DC總線上的高壓與在 低壓DC總線上的低壓的比率是在1.1:1至大約1000:1的范圍內(nèi)。
24. 權(quán)利要求23的電源系統(tǒng)，其中在高壓DC總線上的高壓與 在低壓DC總線上的低壓的比率大約是10:1。
25. 權(quán)利要求24的電源系統(tǒng)，其中在高壓DC總線上的高壓與 在低壓DC總線上的低壓的比率大約是2:1。
26. 權(quán)利要求3的電源系統(tǒng)，其中電源容納在箱室中。
27. 權(quán)利要求26的電源系統(tǒng)，其中多個電源模塊中的每個電源 模塊被構(gòu)造為可取下的抽屜。
28. 權(quán)利要求27的電源系統(tǒng)，其中可取下的抽屜被置于該箱室中。
29. 權(quán)利要求28的電源系統(tǒng)，其中每個可取下的抽屜包括多個 不同長度的連接器，該連接器在不同的時間將電源模塊的多個DC/DC 轉(zhuǎn)換器電連接到高壓DC總線以減少放電。
30. 權(quán)利要求29的電源系統(tǒng)，其中每個連接器包括在將電源模 塊連接到高壓DC總線時減少放電的電阻性材料。
31. 權(quán)利要求29的電源系統(tǒng)，其中每個可取下的抽屜包括通過 各自的輔助電阻器或者火花抑制阻抗網(wǎng)絡(luò)連接的輔助觸點以進一步減少放電o
32. 權(quán)利要求28的電源系統(tǒng)，其中在系統(tǒng)運行的同時可取下的 抽屜可以被取下、更換或添加。
33. 權(quán)利要求27的電源系統(tǒng)，其中每個抽屜包括多個冷卻風扇 和排氣口以冷卻電源模塊。
34. 權(quán)利要求27的電源系統(tǒng)，其中多個電源模塊中的每個電源 模塊的部件被設(shè)置成使冷卻效率最大。
35. 權(quán)利要求1的電源系統(tǒng)，其中計算負載從如下組中選擇電 信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)和計算機外圍設(shè)備。
36. 權(quán)利要求3的電源系統(tǒng)，其中電源包括多余數(shù)量的電源模塊。
全文摘要
本發(fā)明的特征在于用于計算負載的更加緊湊并具有更高可靠性的電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括連接到多個DC源的高壓DC總線(32)、連接到計算負載(60)的低壓DC總線(60)和電源，每個DC源通過開關(guān)連接到該高壓DC總線，該開關(guān)將具有最高DC電壓的DC源輸送給該高壓DC總線，該電源包括在高壓DC總線和低壓DC總線之間并聯(lián)連接的多個DC/DC轉(zhuǎn)換器(150、152、154、156、158、160)和被構(gòu)造成調(diào)制每個DC/DC轉(zhuǎn)換器以將在高壓DC總線上的高壓轉(zhuǎn)換為在低壓DC總線上輸出的低壓的控制器(180)。
文檔編號H02J3/00GK101438475SQ200580011630
公開日2009年5月20日 申請日期2005年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月18日
發(fā)明者彼得·A·丹德瑞治, 杰弗里·A·凱希, 邁克爾·A·柯普克斯, 馬塞爾·P·J·高德瑞奧 申請人:多樣化技術(shù)公司